Vô số môi trường địa chất nằm cùng với sự chúc chìm. Trong 1 hệ thống cung
lý tưởng hóa có 3 đới được phân chia là: khoảng trống giữa cung và máng (the arc
– trench gap), cung (the arc) và vùng sau cung (the arc-rear area). Từ đại dương và phía lục địa một cung rìa lục địa (a continental-margin arc) bao gồm: máng
(trench), một lăng trụ bồi kết (an accretionary prism) với các bồn trước cung
(forearc basins) nằm trên, cung núi lửa với các bồn giữa cung (intra-arc basins), một đai uốn nếp-vẩy chồm (a fold-thrust belt) và một bồn tiền xứ sau cung (a retroarc foreland basin). Một cung đảo khác một cung rìa lục địa chủ yếu ở vùng phía sau, nơi mà nó bao gồm một số kết hợp các bồn sau cung đang và ngừng hoạt
động và ở một số trường hợp là các cung sót (remnant arcs). Mỗi một trong những
58 H3.16
3.6.1.1 Máng (trench)
Các máng hình thành khi các tấm thạch quyển bắt đầu chúc chìm vào trong manti. Các trầm tích máng chủ yếu là các turbidit graywack hạt mịn với một ít thành phần biển khơi. Các dòng đục (turbidity currents) nói chung chảy vào các máng ở các hẻm vực ngầm dưới biển (submarine canyons) và dọc theo các trục máng. Các trầm tích có thể được vận chuyển dọc theo các máng đến 3000km, thí dụ như ở máng Sunda, nam Sumatra, nơi mà các vụn từ dãy Himalaya đổ vào máng ở phía bắc từ quạt ngầm dưới biển Bengal. Mặc dù phần lớn trầm tích vụn là từ sét hoặc bột, nhưng cát và các trầm tích thô hơn có thể được tích tụ ở các tướng gần. Các thay đổi tướng xuống trục cho thấy các máng được lấp đầy bởi một chuỗi các quạt ngầm dưới nước tỏa tia. Sự lấp đầy theo chiều dọc này được bổ sung bởi sự lấp ngang từ các hẻm vực cạnh sườn. Nếu một máng hình thành gần một lục địa thì nói chung vật liệu trầm tích đổ vào máng chủ yếu là từ các nguồn lục địa, còn các nguồn từ cung thì ít. Tuy nhiên các trầm tích máng có các nguồn xâm nhập và núi lửa cung địa phương. Các nghiên cứu địa chấn phản xạ ở các trầm tích máng cho rằng có nơi có địa hình gò đồi, chứng tỏ có các dòng vật liệu vụn thô bị chôn vùi, hoặc các trượt lở ngầm dưới biển. Các trầm tích máng có thể được bảo tồn trong dữ liệu địa chất nếu chúng được bổ sung vào cung như những tấm bị đứt gãy cắt xén trong lăng trụ bồi kết.
59
3.6.1.2 Lăng trụ bồi kết (accretionary prism)
Lăng trụ bồi kết (hay phức hệ chúc chìm) bao gồm một loạt nêm các trầm tích
và đá núi lửa bị đứt gãy cắt xén và cắm dốc, nằm trên tấm chúc xuống. Các nêm này là vỏ đại dương và các trầm tích máng đã được bồi kết vào mặt tiền của cung. Các nêm cá thể trong lăng trụ bồi kết giảm tuổi dần khi máng lại gần. Các lăng trụ bồi kết bị biến dạng mãnh liệt và tạo ra thể xáo trộn (melange), là một thể đá có thể đo vẽ được. Chúng đặc trưng bởi sự thiếu tính phân lớp liên tục và sự có mặt các tảng đá tù (bao thể) có đủ mọi kích cỡ (ngang đến hơn 1 km) nằm trong một nền hạt mịn bị biến dạng. Cả các quá trình trầm tích và kiến tạo có thể đã cùng tạo nên thể xáo trộn. Các olistostrom là các thể xáo trộn được sinh ra bởi sự trượt trọng lực và tích tụ như các thể nửa lỏng nên không có sự phân lớp, nhưng bao gồm các turbidit cộng sinh. Các mảnh vụn của thể xáo trộn có thể là ngoại lai (xuất xứ từ môi trường khác) hoặc bản địa (tái tích tụ từ môi trường lân cận), và nói chung có nền nương tựa. Thành phần thạch học các mảnh vụn bao gồm graywack, bột kết, đá phiến silic (chert), basalt (đá lục) và các đá ophiolit khác, các đá núi lửa cung và rất hiếm các đá granitoid. Các thể xáo trộn phổ biến bị uốn nếp và có thể chứa nhiều hệ khe nứt và phân phiến. Các nền bị xé đứt thường gồm có serpentin và các đá hạt mịn và các mảnh khoáng vật. Mặc dù các thể xáo trộn là các đặc trưng của các lăng trụ bồi kết, nhưng chúng cũng được tạo ra bởi một vài quá trình khác nhau trong các môi trường kiến tạo khác nhau. Các thể xáo trộn kiến tạo được sinh ra bởi các lực nén ép dọc theo phần trên của máng chúc chìm ở các độ sâu nông. Sự dập vỡ và trộn lẫn của các đá có thể xuất hiện dọc theo một đới cắt xén lớn di cư gần song song với tấm chúc chìm. Các mảnh vỏ đại dương và các trầm tích máng bị thải ra khỏi mảng chúc chìm và bồi kết vào mảng chồm lên. Các olistostrom có thể được tạo ra bởi sự trượt trọng lực hoặc các dòng đá vụn trên các vách máng quá dốc hoặc dọc theo các rìa của một bồn trước cung. Các dòng đá vụn, trong đó các khoáng vật sét và nước tạo ra một chất kết dính duy nhất có thể chảy được là cơ chế vận chuyển quan trọng nhất của olistostrom. Mặc dù vậy còn có các thể xáo trộn khác tạo thành dọc theo các đới cắt trượt chính, hoặc ở các đới khâu va chạm.
3.6.1.3 Các bồn trước cung (forearc basins)
Các bồn trước cung là các bồn trầm tích biển trên các phía máng của các cung và chúng thay đổi kích thước và có nhiều giai đoạn tiến hóa của một cung. Ở các cung rìa lục địa, như là cung Sunda ở Indonesia các bồn trước cung dài đến 200km. Chúng nằm lên trên lăng trụ bồi kết mà có thể nhô lên thành các đồi nằm giữa hoặc xen giữa các bồn trước cung. Các trầm tích ở bồn trước cung dày đến nhiều km, chủ yếu là các turbidit đến từ các nguồn cung cấp vật liệu ở hệ thống cung lân cận. Các trầm tích nửa biển khơi (hemipelagic) cũng quan trọng ở một số bồn, như
60
ở cung Mariana. Các olistostrom có thể tạo thành ở các bồn trước cung bởi sự trượt lở từ các sườn dốc địa phương. Các trầm tích vụn ở bồn trước cung có thể ghi lại
sự mất mái dần (progressive unroofing) của các cung lân cận (do bị xâm thực). Các trầm tích sớm ở đó chủ yếu là vụn núi lửa từ các núi lửa đang hoạt động và các trầm tích muộn hơn lại phản ánh sự xâm thực dần từ nóc các xâm nhập. Hoạt động núi lửa hiếm gặp ở các khu vực trước cung hiện đại và cũng không có các đá núi lửa và đá xâm nhập ở các dãy trầm tích trước cung cổ xưa.
3.6.1.4 Các cung (Arcs)
Các cung núi lửa thay đổi từ ở hoàn toàn trên mặt đất (entirely subaerial), như các cung Andes và Trung Mỹ, cho đến phần lớn hoặc hoàn toàn ngầm dưới biển, như nhiều cung đại dương chưa trưởng thành ở Tây Nam Thái Bình Dương. Các cung trên cạn, bao gồm các dòng và các đá vụn núi lửa cộng sinh mà thường xuất hiện ở các núi lửa phân tầng (stratovolcanoes) lớn. Các cung ngầm dưới biển được xây nên bởi các dòng basalt cầu gối và những khối lượng lớn tuf vụn thủy tinh (hyaloclastic tuffs) và các dăm kết. Hoạt động núi lửa bắt đầu khá đột ngột ở các cung tại một tiền duyên núi lửa (volcanic front). Cả các magma tholeit và vôi kiềm đều đặc trưng cho các cung, với các basalt và andesit-basalt chiếm ưu thế ở các cung đại dương và andesit và dacit thường chiếm chủ yếu ở các cung rìa lục địa. Các magma felsic thường xâm vị như những batolit, mặc dù các đá núi lửa felsic cũng khá phổ biến ở phần lớn các cung rìa lục địa.
3.6.1.5 Các bồn sau cung (backarc basins)
Các bồn sau cung đang hoạt động xuất hiện ở trên các tấm chúc chìm đằng sau hệ thống cung và phổ biến có dòng nhiệt cao, thạch quyển tương đối mỏng và trong nhiều trường hợp, một sống đại dương hoạt động làm cho kích thước của bồn rộng ra. Các trầm tích thay đổi phụ thuộc vào kích thước bồn và khoảng cách đến cung. Ở gần cung và cung sót từ các trầm tích vụn núi lửa nói chung chiếm ưu trội trong khi ở các khu vực xa hơn thì các trầm tích biển khơi, nửa biển khơi và có nguồn sinh vật lại phổ biến. Trong các giai đạn sớm của sự mở bồn chủ yếu có các tích tụ vụn biểu sinh (epiclastic deposits) dày mà phần lớn là các dòng trọng lực. Với sự tiếp tục mở ra của bồn sau cung, các tích tụ này chuyển rộng sang các turbidit, sau đó lại chuyển sang các trầm tích biển khơi và nguồn gốc sinh vật. Rải rác có thể còn có các lớp tuf từ khí quyển rơi xuống. Trong các giai đoạn sớm của sự mở bồn thường xảy ra hoạt động magma đa dạng, bao gồm phun trào felsic, trong khi các giai đoạn muộn hơn lại đặc trưng bởi một sống đại dương hoạt động.
Như đã nói ra trước đấy, nhiều ophiolit có mang dấu ấn địa hóa đới chúc chìm, và
61
Các dòng tro ngầm dưới nước có thể phun hoặc chảy vào các bồn sau cung và được hình thành theo ba cách chính. Sự xuất hiện của các dòng tro tuf felsic gắn kết trong một số chuỗi trầm tích sau cung cổ cho thấy các dòng tro nóng vào trong nước mà không bị trộn lẫn và vẫn đủ nóng để cố kết lại (H3.8a). Cũng có thể sự phun ngầm dưới biển có thể phóng ra một lượng lớn tro vào biển và rơi xuống đáy biển, tạo thành một dòng đá vụn, đặc, giàu nước (b). Cũng có thể trong các giai đoạn phun cuối cùng, các dòng turbidit nhỏ được tích tụ như những lớp mỏng mịn dần nằm trên các dòng đá vụn. Thêm vào sự phun trực tiếp, sự trượt lở của các sườn không chắc cấu tạo bởi đá vụn núi lửa có thể tạo ra các turbidit tro (c).
Trong các bồn sau cung cũng gặp các quạt ngầm dưới biển cấu tạo bởi các đá vụn núi lửa, và các turbidit thường bao gồm một phần lớn các quạt này. Các trầm tích quạt đến từ nhiều nguồn núi lửa dọc theo cung, và khối lượng lớn trầm tích đổ vào liên quan đến hoạt động núi lửa ở cung và sự nâng lên của cung. Các kết quả khảo cứu từ các cung hiện nay cho thấy tốc độ nâng cao cung đạt >400m/triệu năm để tạo ra lượng trầm tích cần thiết cho việc hình thành các quạt dưới biển.
Các quá trình khống chế sự trầm tích ở bồn sau cung bao gồm năng suất tạo đá của sinh vật phụ thuộc vào vĩ độ và sự chu chuyển đại dương, khí hậu, khối lượng hoạt động núi lửa của cung, tốc độ nâng cao cung và các kiểu hình gió khu vực. Bởi vì bản chất thay đổi nhiều của các trầm tích sau cung hiện đại và sự thiếu mối liên kết trực tiếp giữa kiểu trầm tích và bối cảnh kiến tạo, người ta không thể định rõ một tổ hợp đá riêng biệt cho các bồn này. Chỉ khi nào có được một chuỗi trầm tích tương đối đầy đủ được bảo tồn và các dữ liệu địa hóa và trầm tích chi tiết thì mới có thể nhận biết các chuỗi trầm tích sau cung cổ. Các bồn sau cung không hoạt động, ví dụ như phần phía tây của mảng Philipin, có thể có một lớp phủ trầm tích biển khơi dày và không có chứng cứ về sự tách dãn đáy biển mới đây.
62
3.6.1.6. Các cung sót (remnant arcs)
Các cung sót là các sống phi địa chấn dưới biển, là những phần đã tắt của các cung, mà đã bị tách ra do sự mở ra một bồn sau cung. Chúng chủ yếu gồm có các đá núi lửa mafic tương tự như các đới núi lửa tạo thành ở các cung ngầm dưới biển. Một khi bị sự mở rift cô lập, các cung sót lún chìm xuống và cung bị phủ dần bởi các trầm tích sinh vật và biển khơi nước sâu và các trận mưa tro từ xa.
3.6.1.7 Các bồn tiền xứ sau cung (retroarc foreland basin)
Các bồn tiền xứ sau cung tạo thành phía sau hệ thống cung rìa lục địa, và được lấp đầy bởi các trầm tích vụn lục nguyên đổ xuống từ một đai uốn nếp – chồm vảy đằng sau cung. Một yếu tố then chốt trong sự phát triển bồn tiền xứ sau cung là tính chất đồng kiến tạo của các trầm tích. Chiều dày lớn nhất của các bồn tiền xứ sau cung tiếp giáp với đai uốn nếp – chồm vảy phản ánh sự sụt lún được tăng cường sinh ra bởi sự quá tải của các tấm vảy và sự tích tụ trầm tích. Một đặc tính khác của các bồn tiền xứ sau cung là rìa bồn gần dần dần trở nên bị lôi kéo vào đai uốn nếp-chồm vảy đang bành trướng.
Các trầm tích rơi rụng từ đai uốn nếp-chồm vảy đang dâng lên bị xâm thực và tái tích tụ trong bồn tiền xứ. Chúng lại bị xới lênn và tái trầm tích lần nữa khi dyke này bảnh trướng về phía bồn. Các khu vực ở gần của bồn tiền xứ đặc trưng bởi các trầm tích quạt bồi tích arkos hạt thô, còn các tướng ở xa thì bởi các trầm tích hạt mịn và các lượng thay đổi trầm tích carbonat biển. Sự xâm thực dần phần mái
(progressive unroofing) ở đai uốn nếp-chồm vảy sẽ dẫn tới sự lấy mẫu địa tầng đảo ngược (inverse stratigraphic sampling) của nguồn ở các trầm tích bồn tiền xứ (H. 3.9). Kiểu hình như vậy rất phát triển ở các bồn tiền xứ Creta ở Utah (Mỹ). Trong bồn đó, các giai đoạn nâng và xâm thực sớm tạo ra các trầm tích vụn giàu carbonat Paleozoi, được nối tiếp muộn hơn bởi các trầm tích vụn giàu thạch anh- felspat từ móng Tiền-Cambri được nâng cao. Các chuỗi trầm tích bồn tiền xứ còn thể hiện tính thô dần lên (upward coarsening) và các trầm tích lục địa dày, đó là một đặc điểm phản ánh sự bành trướng dần của đai uốn nếp-chồm vảy về phía bồn.
63
H3.18. “Sự xâm thực dần phần mái” ở tấm vảy chồm và sự “lấy mẫu địa tầng đảo ngược” ở bồn tiền xứ